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Waldbrände beeinflussen das Klima | Durch unvollständige Verbrennung entstehen Rußpartikel, etwa bei den Waldbränden in Kalifornien. Diese Partikel gelangen bis in die unterste Schicht der Stratosphäre, also in eine Höhe von zehn Kilometern. In den kalifornischen Rauchwolken war die Konzentration der Rußpartikel zwanzigmal höher als in der Hintergrundatmosphäre. Da chemische Substanzen die Partikel umhüllen, absorbiert deren Inneres mehr Licht. Infolgedessen kann sich die unterste Stratosphäre lokal erwärmen und somit das regionale Klima beeinflussen.<ul class="references"><li>
1 Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2018, doi: 10.1073/pnas.1806868115</li></ul>
Blauer Phosphor erstmals vermessen | Forscher haben die Modifikation blauen Phosphors an einer Goldoberfläche abgeschieden und vermessen. In dieser Modifikation vernetzen sich die P-Atome zu einer Art Bienenwabenstruktur. Diese Struktur hat regelmäßige Erhebungen. Bisher gab es zu dieser Modifikation nur theoretische Modelle. Nach den Messungen passen sich die P-Atome an die Abstände zwischen den Goldatomen an, wodurch sich das Wabengitter verschiebt. Dies verändert die Energieverteilung der Elektronen, sodass die Bandlücke von etwa zwei Elektronenvolt ebenfalls etwas verschoben ist.<ul class="references"><li>
2 Nano Lett. 2018, 18, 11, 6672</li></ul>
Wie das Ohr akustische Information umwandelt | Einzelne synaptische Vesikel wandeln in der Hörnervenzelle akustische Informationen in Nervensignale um. Die Reizumwandlung findet an der Haarzellsynapse im Innenohr statt. Diese setzt überwiegend einzelne Vesikel frei, die den Botenstoff Glutamat enthalten, das die Hörnervenzelle stimuliert. Wie Göttinger Forscher zudem herausfanden, vergrößert sich die Membran der Haarzellsynapse beim Verschmelzen mit den Vesikeln.<ul class="references"><li>
3 Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2018, doi: 10.1073/pnas.1811814115</li></ul>
Lisa Süssmuth, Frankfurt

Meldung

Aus Bio‐, Umwelt‐ und Materialwissenschaften

Waldbrände beeinflussen das Klima | Durch unvollständige Verbrennung entstehen Rußpartikel, etwa bei den Waldbränden in Kalifornien. Diese Partikel gelangen bis in die unterste Schicht der Stratosphäre, also in eine Höhe von zehn Kilometern. In den kalifornischen Rauchwolken war die Konzentration...

Eisen galt als Hoffnungsträger in der Katalysechemie – und inzwischen wird es auch genutzt. Die Bandbreite an Oxidationsstufen, die Häufigkeit in der Erdkruste, der niedrige Preis und die geringe Toxizität machen dieses Übergangsmetall zu einem Allrounder. Trotzdem werden für Kreuzkupplungen nach wie vor Edelmetalle eingesetzt.
Die ersten Fe-katalysierten Kreuzkupplungen wurden schon im Jahr 1941 von Kharash und Fields beschrieben. 30 Jahre später, ein Jahr vor den Pd-katalysierten Kreuzkupplungen, folgte die zweite Beschreibung von Tamura und Kochi.Beide Gruppen verwendeten ähnlich wie bei der Pd-katalysierten Kumada-Kupplung die Grignard-Reagenzien (1) oder (4) als Nukleophile und PhBr (2) oder Vinylbromide (5) als Elektrophile (Kharasch1) beziehungsweise Kochi2), Abbildung 1A). Im zuerst postulierten Mechanismus schlugen die Autoren als katalytisch aktive Spezies einen FeI-Komplex vor, der durch Reduktion des FeIII-Präkatalysators durch das Grignard-Reagenz entsteht. Oxidative Addition liefert den FeIII-Komplex (8), der zu Komplex (9) transmetalliert wird. Die anschließende reduktive Eliminierung regeneriert den katalytisch aktiven FeI-Komplex, wobei das Kreuzkupplungsprodukt (6) frei wird (Abbildung 1B). Jedoch hielten andere Autoren auch andere Oxidationsstufen des Eisens für wahrscheinlich, etwa Fe0/FeII oder Fe–II/Fe0.3)<figure><img src="https://media.graphcms.com/04vR7jxTC3SIC24mk56Q"><figcaption><label>Abb. 1: </label>a) Eisenkatalysierte Kumada-Kreuzkupplungen nach Kharasch und Kochi. b) Vorgeschlagener Katalysezyklus nach Kochi.</figcaption></figure>
Während etliche Fe-katalysierte Kreuzkupplungen von Magnesium- (Kumada-Kreuzkupplung) und auch von Zinkorganylen (Negishi-Kreuzkupplung) mit Aryl-X-Substraten bekannt sind, schienen Biaryl-Kreuzkupplungen mit den klassischen Substraten der Suzuki-Miyaura-Reaktion zunächst unvereinbar. Problematisch war vor allem, die Aryl-X-Bindungen zu aktivieren. Ein weiterer Dämpfer: Viele der vermeintlich Fe-katalysierten Reaktionen funktionierten nur aufgrund der Pd- oder Cu-Verunreinigungen.4) Die Forschungsergebnisse sind daher nur schwer einzuordnen. Auch mangelnde Kenntnis des Mechanismus machte es nicht einfacher, bessere Katalysatoren zu entwickeln.<h2>Suzuki-Miyaura-Kreuzkupplung</h2>In den letzten zehn Jahren sind nur wenige Beispiele für Fe-katalysierte Suzuki-Miyaura-Kreuzkupplungen veröffentlicht worden. Dabei handelte es sich um sp3-sp2- oder sp3-sp3-Kupplungen unter Einsatz von Mg-, Li- oder Zn-Additiven.5) Erst im Jahr 2008 gelang Hor und Mitarbeitern die erste Suzuki-Miyaura-Biarylkreuzkupplung. Sie benötigt jedoch harsche Bedingungen (15 kbar Druck bei 100 °C).6)Ein neueres Beispiel für eine Fe-katalysierte Suzuki-Miyaura-sp2-sp2-Kreuzkupplung lieferten letztes Jahr Bedford und Mitarbeiter.7) In der N-Pyrrolamid-dirigierten Biaryl-Kreuzkupplung ließ sich die Aryl-X-Bindung durch die dirigierende Gruppe aktivieren. Als Ligand diente das N-heterocyclische Carben IMes·HCl (R1 = R3 = Me, R2 = H) (12), als Additiv MgBr2 und als Eisenquelle FeBr3. Die eingesetzten Halogenide reichten von Fluorid bis Iodid, wobei Chloraromaten die höchste Ausbeute liefern (82 Prozent, Cl&gt;Br&gt;I&gt;F). Die Methode toleriert verschiedene funktionelle Gruppen als Substituenten am Aromaten (10), jedoch ist die ortho-Stellung des Halogens zum Pyrrolamid essenziell. Substrate mit 3- oder 4-Chloroaromaten reagierten nicht zum Kreuzkupplungsprodukt. Dies lässt sich durch den vom Pyrrolsubstituenten gebildeten π-Komplex (14) erklären, der das Metall in räumliche Nähe zur Austrittsgruppe dirigiert (Abbildung 2).<figure><img src="https://media.graphcms.com/pLJ11x8QXK0gpD6n8fjK"><figcaption><label>Abb. 2: </label>N-Pyrrolamid-dirigierte Biaryl-Suzuki-Miyaura-Kreuzkupplung nach Bedford.</figcaption></figure>
Ein weiteres aktuelles Beispiel für eine Fe-katalysierte Suzuki-Miyaura-Kreuzkupplung kommt von Byers und Mitarbeitern.8) Ihre Methode erlaubt es, Arylboronsäuren (15) mit primären, sekundären und tertiären Alkylhalogeniden (16) zu kuppeln, und zwar mit 10 Molprozent Fe(cyanoBOX) Katalysator (17) und zusätzlichen 10 Molprozent deprotoniertem cyanoBOX-Ligand (18) (sp3-sp2-Kupplung, BOX für Bisoxazolin, Abbildung 3a). Mit Ausnahme der benzylischen Arylhalogenide lieferten Alkylbromide bessere Ausbeuten als Alkyliodide, jedoch schlechtere als Alkylchloride (Br&gt;I&gt;Cl). Die Reaktion toleriert aromatische Boronsäureester mit Ausnahme eines Indolderivats.<figure><img src="https://media.graphcms.com/jGoHBoMT4WfVPpH4MHNI"><figcaption><label>Abb. 3: </label>a) Eisenkatalysierte Suzuki-Miyaura-Kreuzkupplung. b) Anwendung der Methode in der Synthese des Medikaments Cinacalcet (23).</figcaption></figure>
Die Anwendbarkeit der Methode zeigten die Autoren anhand der Synthese des Arzneistoffs Cinacalcet (23), der bei einer Erkrankung der Nebenschilddrüse eingesetzt wird. Durch das Fe-basierte Katalysatorsystem (17)/(18) im Schlüsselschritt der Synthese ließ sich Boronsäure (20) mit 1-Brom-3-chlorpropan (21) in 55 Prozent Ausbeute kuppeln. Die Autoren nutzen dabei die höhere Reaktivität der Alkylbromide gegenüber den Alkylchloriden, was ermöglicht, das arylierte Alkylchlorid (22) selektiv zu synthetisieren. Dieses Molekül liefert in nur einer weiteren Synthesestufe Cinacalcet ((23), Abbildung 3b).<h2>Heck- und Sonogashira-Reaktionen</h2>Fe-katalysierte Heck- und Sonogashira-Reaktionen sind selten. Ein Beispiel für erstgenannte kommt von der Arbeitsgruppe Thomas: Sie kuppelte Styrole (24) FeII-katalysiert mit Alkylbromiden (25) (Abbildung 4a).9) Da gerade die Pd-katalysierte Heck-Reaktion von Alkylhalogeniden aufgrund der erschwerten oxidativen Addition und der konkurrierenden β-Hydrid-Eliminierung nur selten funktioniert, zeigt diese Arbeit, dass Fe-Katalysatoren dieses Problem lösen können.<figure><img src="https://media.graphcms.com/3ziDai6kQKOWTpgLqUIw"><figcaption><label>Abb. 4: </label>a) Eisenkatalysierte Heck-Reaktionen. b) Vorgeschlagener Mechanismus nach Thomas.</figcaption></figure>
Als Mechanismus postulieren die Autoren die Bildung des Alkylradikals (27), das anschließend eine radikalische Addition mit dem entsprechenden Olefin (24) eingeht. Hierbei oxidiert FeII im Katalysator zur FeIII-Spezies, die dann bei der radikalischen Bromierung des Additionsproduktes (28) wieder zur FeII-Spezies reduziert wird. Durch zugefügte Base eliminiert das gebildete Alkylbromid (27) E-selektiv zum entsprechenden formalen Heck-Produkt (26) (Abbildung 4b). Die Methode liefert für Styrolderivate mit elektronendonierenden Substituenten Ausbeuten zwischen 55 und 93 Prozent, während elektronenziehende Substituenten wegen der konkurrierenden Polymerisation der Styrolderivate weniger Ausbeute liefern (65 Prozent für NMe2, 25 Prozent für F, 15 Prozent für Cl).Das Spektrum der Alkylbromide (25) umfasst primäre bis tertiäre Alkylbromide (26); die besten Ausbeuten von bis zu 93 Prozent liefern tertiäre α-Bromalkylester. Sekundäre und primäre Alkylbromide (26) führten mit Ausnahme benzylischer Alkylbromide (26) zu geringeren Ausbeuten. Die unterschiedliche Stabilität der entstandenen Radikale (28) erklärt den Trend von tertiären zu primären Alkylbromiden.Eine weitere Neuerung bei Fe-katalysierten Heck-Reaktionen entwickelten Hajipour und Mitarbeiter.10) In Form des immobilisierten Eisenkatalysator FeIII@SiO2-DABCO (30) stellten sie einen Katalysator her, der erlaubt, in sehr guten Ausbeuten und mit nur 0,8 Molprozent Beladung Heck- und Sonogashira-Reaktionen durchzuführen: Die Kupplung elektronenreicher oder -armer Aryliodide (31) mit Olefinen (32) (Acrylate, Styrol, 1-Octen) in wässrigen Lösungsmittelgemischen liefert die Heck-Produkte (33) in 67 bis 93 Prozent Ausbeute. Arylbromide führten nicht zum gewünschten Kupplungsprodukt (33) (Abbildung 5a, S. 87).<figure><img src="https://media.graphcms.com/H3Q4tKuMRnWLLNfhFecS"><figcaption><label>Abb. 5: </label>Heck- und Sonogashira-Reaktionen (a beziehungsweise b) mit FeIII@SiO2-DABCO (30).</figcaption></figure>
Der gleiche immobilisierte Katalysator (30) wurde in einer Sonogashira-Kupplung von Aryliodiden (31) mit Phenylacetylen (35) untersucht, ebenfalls mit 0,8 Molprozent Katalysatorbeladung; er liefert Alkin (36) in Ausbeuten von 65 bis 80 Prozent (Abbildung 5b).<h2>Ausblick</h2>Ähnlich wie in der Anfangszeit der Pd-Katalysen müssen für Fe-katalysierte Kreuzkupplungen noch Liganden entwickelt und die Mechanismen der jeweiligen Reaktionen untersucht werden. Nachdem sich Heck-, Suzuki-, Kumada-, Sonogashira und Negishi-Reaktionen eisenkatalysiert realisieren lassen, scheint es nur noch eine Frage der Zeit, bis auch Stille- und Hiyama-Kreuzkupplung mit Eisen als Katalysator funktionieren. Fe-Katalysatoren könnten dann wegen ihrer ökologischen und ökonomischen Vorteile erste Wahl für Kreuzkupplungsreaktionen sein.<ul class="references"><li>
1 M. S. Kharasch, E. K. Fields, J. Am. Chem. Soc. 1941, 63, 2316–2320</li><li>
2 M. Tamura, J. Kochi, J. Am. Chem. Soc. 1971, 93, 1487–1489</li><li>
3 a) A. Fürstner, R. Martin, H. Krause et al., J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 8773–8787; b) A. Fürstner, A. Leitner, Angew. Chem., Int. Ed. 2002, 41, 609–612; c) T. Hatakeyama, S. Hashimoto, K. Ishizuka, M. Nakamura, J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 11949–11963; d) W. M. Czaplik, M. Mayer, S. Grupe, A. Jacobi von Wangelin, Pure Appl. Chem. 2010, 82, 1545–1553; e) C. J. Adams, R. B. Bedford, E. Carter et al., J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 10333–10336; f) I. Bauer, H.-J. Knölker, Chem. Rev. 2015, 115, 3170–3387</li><li>
4 a) R. B. Bedford, M. Nakamura, N. J. Gower et al., Tetrahedron Lett. 2009, 50, 6110–6111; b) S. L. Buchwald, C. Bolm, Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 5586–5587</li><li>
5 a) R.B. Bedford, M. A. Hall, G. R. Hodges, M. Huwe, M. C. Wilkinson, Chem. Commun. 2009, 6430–6432; b) T. Hatakeyama, T. Hashimoto, Y. Kondo et al., J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 10674–10676; c) T. Hashimoto, T. Hatakeyama, M. Nakamura, J. Org. Chem. 2012, 77, 1168–1173; d) T. Hatakeyama, K. K. A. D. S. Kathriarachchi, T. Zenmyo, H. Seike, M. Nakamura, Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 8834–8837</li><li>
6 Y. Guo, D. J. Young, T. S. A. Hor, Tetrahedron Lett. 2008, 49, 5620–5621</li><li>
7 H. M. O´Brien, M. Manzotti, R. D. Abrams et al., Nat. Catal. 2018, 1, 429–437.</li><li>
8 M.P. Crockett, C. C. Tyrol, A. S. Wong, B. Li, J. A. Byers, Org. Lett. 2018, 20, 5233–5237</li><li>
9 K. Zhu, J. Dunne, M. P. Shaver, S. P. Thomas, ACS Catal. 2017, 7, 2353–2356</li><li>
10 A. R. Hajipour, P. Abolfathi, Z. Tavangar-Rizi, Appl. Organometal. Chem. 2018, e4353</li></ul>
Die Serie Blickpunkt Synthese will zur Beschäftigung mit neuen synthetischen Verfahren oder eleganten und wichtigen organischen Synthesen anregen. Die Beiträge zur Serie verfassen dieses Jahr im Wechsel Nina Schützenmeister und Peter Huy.<h2>Die Autoren</h2>Nina Schützenmeister, Jahrgang 1983, ist seit 2015 Juniorprofessorin für pharmazeutische und medizinische Chemie an der Universität Hamburg. Sie promovierte bei Lutz F. Tietze an der Universität Göttingen. Es folgten Postdoc-Aufenthalte bei Christian Griesinger am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie Göttingen und bei Varinder K. Aggarwal an der Universität Bristol/UK als Marie-Curie-Stipendiatin. Ihr Team beschäftigt sich mit der Synthese von Naturstoffen und Naturstoffanaloga und der Entwicklung neuer Antiinfektiva. Bei diesem Beitrag unterstützte sie ihr Doktorand G. Jacob Boehlich.<div><img src="https://media.graphcms.com/2IOIqWICTaeyzk55vObU">

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